Самый большой кпд двигателя: КПД двигателя внутреннего сгорания. Сколько приблизительно равен, а также мощность в процентах

Электродвигатели с высокой энергоэффективностью — Control Engineering Russia

Экологическое мышление мотивирует многих, а экология сама по себе является темой повседневной жизни. К сожалению, не в сфере бизнеса, хотя именно там любое ограничение потребления энергии означает огромную экономию. Электродвигатели с высоким КПД могут помочь в реализации этой задачи, тем более, что все более жесткие нормы во многих странах просто требуют этого.

Стоит знать, что когда говорят о двигателях с высоким КПД, то это относится обычно к традиционным асинхронным двигателям. Индукционные двигатели выпускаются в стандартном энергетическом исполнении, в исполнении с повышенной эффективностью и суперэффективные, – говорит Дэвид Хансен, глобальный менеджер продукта Kinetix Motion Control Rockwell Automation. — Двигатели же с постоянными магнитами выпускаются только по одному энергетическому классу.

Не случайно двигатели с постоянными магнитами предлагаются только в одном энергетическом классе: их конструкция сама по себе обеспечивает высокий КПД, поскольку исключает потребность намагничивания ротора. Джон Малиновски, старший продукт-менеджер в фирме Baldor Electric Company подчеркивает, что существует группа индукционных двигателей, которые соответствуют международным стандартам IEC 60034-30 по категории IE3 (высшая категория) и американским NEMA по категории Premium (тоже высшая категория).

По этой причине обсуждение ограничится универсальными асинхронными двигателями, роторы которых изготовлены из ферромагнитных материалов. Характеристики эффективности двигателей с постоянными магнитами будут обсуждены в другой раз.

— Двигатели энергетической категории Premium (аналог IE3) более чувствительны к исполнению, чем более старые двигатели, они создают меньше шума и вибрации, выделяют меньше тепла и являются более долговечными, — утверждает Малиновски.

— Более высокий КПД современных асинхронных двигателей является результатом совершенствования конструкции, правильной геометрии обмоток, использования более качественных материалов (в том числе меди в роторе), что приводит к более эффективному преобразованию электрической энергии в механическую, —

утверждает Петер Фишбах, менеджер промышленного сектора в фирме Rexroth.

 

Что определяет КПД двигателя

— Ключом к более высокому КПД является ограничение потерь – констатирует Малиновски. – Больше меди в обмотке — меньше потери в проводимости, а в свою очередь более качественная магнитная сталь уменьшает потери на перемагничивание. Меньшие потери мощности — это меньший нагрев, следовательно, и меньший охлаждающий вентилятор – очередная выгода.

Фишбах добавляет, что б?льшая часть потерь ? это потери на проводимости в роторе и статоре, часто называемые потерями на гистерезиса или потерями в железе.

Хансен перечисляет по пунктам список конструктивных решений, повышающих энергоэкономичность их приводов:

• Сопротивление обмоток. ? С ростом сопротивления обмоток снижается КПД. Чтобы повысить эффективность двигателей, проектировщики стараются снизить сопротивление за счет увеличения количества меди в желобках и уменьшения обмоток, выступающих за статор.
• Ламинирующее средство. – Потери в обмотках статора зависят непосредственно от качества примененной магнитной стали и от ламинирующего средства. Тонкий изолирующий слой приводит к меньшим потерям в сердечнике, нежели толстый слой.
• Геометрия зубьев. – Специальная геометрия зубьев увеличивает концентрацию магнитного потока внутри двигателя. Б?льшая концентрация ? это меньшее рассеяние энергии, а следовательно, более высокий КПД

 

Важен комплекс

— Целью большинства промышленных применений является сочетание высокого КПД с высокой производительностью, – считает Фишбах. — Ключ к успеху — анализ, моделирование и оптимизация всей системы, предшествующие принятию решения о закупке отдельных компонентов, таких, как двигатели.

С этим соглашается Малиновски: — Замена двигателей — это простой шаг в стремлении к большей эффективности, но выгода здесь ограничена. Стоит иметь двигатели с КПД порядка 95%, но они должны взаимодействовать с высококачественными трансмиссиями с КПД 90-95%, а не с изношенными конструкциями с КПД 50-60%

.

Фишбах подтверждает: — Более высокая эффективность — понятие относительное, поскольку надо учитывать и другие факторы, влияющие на общую эффективность системы, такие, как время цикла или объем производства. Например, моментный двигатель с КПД 80% может потреблять меньше энергии, чем сервопривод с КПД  95%, поскольку не требует применения трансмиссии, а это может дополнительно увеличивать производительность системы.

 

Чего не делать

— Самые большие ошибки совершают те инженеры, которые все внимание сосредотачивают на щитке двигателя и ожидают пропорционального роста эффективности в их приложении, – предостерегает Фишбах.

Любой, в том числе и энергосберегающий двигатель имеет свою характеристику, поэтому он должен быть подобран к конкретному применению. Например, двигатель энергетического класса «премиум» не сэкономит много энергии, если он будет загружен частично или будет использоваться спорадически.

Малиновски приводит пример замены старого двигателя, работающего с центробежным насосом, на новый премиум-класса. Ротор насоса, который был спроектирован под взаимодействие со старым двигателем, не заменяют. Новый, более производительный двигатель будет, вероятно, работать с более высокими оборотами, что вызовет общий рост потребления энергии. Система может быть более энергоэффективна, но дополнительная работа, которая будет совершена, может быть ненужной.

— Проектировщики, которые действительно заинтересованы увеличением эффективности, не будут стремиться исключительно к замене двигателя, а проанализируют всю систему на предмет расходования энергии, – советует Хансен. — Даже самый производительный двигатель, работая с низкоэффективной передачей, не принесет существенных энергетических выгод. Любая механическая передача между двигателем и нагрузкой — это потеря энергии. Очень точные геликоидальные трансмиссии сразу после извлечения из упаковки имеют КПД 90-95%. Изношенная трансмиссия — это КПД на уровне 50-60%

.

— Самым лучшим решением с точки зрения эффективности машины был бы отказ от механических трансмиссий и применение моментных двигателей (с постоянными магнитами) – заключает он.

А вы включаете в проект, а потом покупаете двигатели с высоким КПД? Будьте к этому готовы.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Корпорация Weichai создала первый в мире дизельный двигатель для коммерческого транспорта с КПД выше 50%

Революция в двигателестроении

16 сентября 2020 года корпорация Weichai, ведущий производитель в области двигателестроения в Китае, возглавляемая Таном Сюйгуаном, провела в г. Цзинань (провинция Шаньдун) пресс-конференцию, в ходе которой было официально объявлено о выпуске дизельного двигателя для коммерческого транспорта с КПД выше 50%.

Здесь сразу требуются пояснения. КПД (коэффициент полезного действия) – это критерий оценки эффективности использования топлива в двигателе внутреннего сгорания. Чем выше этот показатель, тем меньше расход топлива, и выше энергоэффективность силового агрегата, а уровень выбросов ниже. С 1897 года – начала активного использования ДВС (т. е. двигателя внутреннего сгорания) – благодаря технологическим инновациям, КПД двигателей, работающих на дизельном топливе вырос с 26% до 46%. Этот технологический показатель стал общемировой проблемой в отрасли двигателестроения. К тому же, в наши дни, когда постоянно ужесточаются нормативы по выбросам, процесс роста КПД двигателей и вовсе замедлился.

Конференция Weichai не была рекламным мероприятием. Приглашенные на это событие специалисты из немецкой TÜV SÜD (Международная организация по инспектированию и сертификации) и «Китайского исследовательского центра автомобильных технологий» действительно подтвердили, что КПД нового дизельного двигателя компании составил 50,26%. В связи с этим, представителям корпорации Weichai был вручен подтверждающий сертификат.

Бесрецедентные меры

Корпорация Weichai активно работает в области двигателестроения уже более 70 лет. За этот период она накопила обширную интеллектуальную базу и опыт в производстве и разработке дизельных двигателей. Weichai постоянно работает в области ключевых технологий двегателестроения и стремится совершенствовать их. За последние 10 лет корпорация привлекла к своим разработкам около 200 докторов наук, более 300 высококвалифицированных специалистов, свыше 3000 исследователей со всего мира и инвестировала 4,5 миллиарда долларов. Такие меры позволили корпорации осуществить скачок в развитии собственных инновационных технологий в области дизельных двигателей. В г. Вэйфан (Китай) корпорация построила крупнейший в мире завод, способный изготавливать и продавать ежегодно более одного миллиона двигателей.

Последние несколько лет Weichai наращивала потенциал, который был направлен на проекты по повышению КПД двигателей внутреннего сгорания. Этот процесс еще сильнее ускорился в 2015 году, когда была сформирована специальная команда по технологическим инновациям, осуществлявшая огромное количество моделирований и стендовых испытаний. Эта группа ученых изучила и проанализировала тысячи разных проектов, постоянно пробовала и совершенствовала существующие решения, фиксировала повышение КПД на каждые 0,1%, пока наконец не добилась исторического прорыва.

Пять специальных технологий

Чтобы достичь результата были разработаны пять специальных технологий:

• технология согласованного сгорания;
• технология согласованного проектирования;
• технология распределения энергии выхлопа;
• технология зонирования смазки;
• технология интеллектуального управления.

Благодаря этим специализациям удалось решить ряд общих для всего мира трудностей и добиться – наиболее эффективного сгорания, низкой теплопередачи, высокой надежности двигателя, малых потерь на трение, низкого уровня выброса загрязняющих веществ и интеллектуального управления силовым агрегатом. Всё это и позволило создать двигатель с реальным КПД выше 50%.

Технология согласованного сгорания позволила сбалансировать соотношение между скоростью, концентрацией и другими физическими процессами в камере сгорания благодаря оптимизации проектирования газовых каналов, впрыска топлива, камеры сгорания и других систем. Это позволило в свою очередь повысить скорость сгорания на 30%.

Технология согласованного проектирования направлена на усовершенствование сгорания при чрезвычайно ограниченном запасе прочности при максимальном давлении в камере. Изменение массы отдельных деталей и дальнейшее укрепление цельной конструкции позволило повысить устойчивость системы к высокому давлению сгорания почти на 60%.

Технология распределения энергии выхлопа

направлена на решение проблемы значительного повышения сложности контроля выбросов загрязняющих веществ, вызванной усовершенствованием процессов сгорания.

Технология зонирования смазки заключается в целевом применении различных технологий снижения трения в зависимости от свойств фрикционных пар системы. Данная технология позволила снизить трение системы на 20%.

Технология интеллектуального управления заключается в использовании преимуществ собственного электронного блока управления корпорации Weichai и разработке ряда более точных моделей прогнозирования, которые позволяют повысить эффективность каждой зоны работы дизельного двигателя.

Это только начало

Рост КПД в ДВС выше отметки в 50% безусловно является революцией в мировом двигателестроении. Корпорация Weichai уже получила поздравления от немецких компаний Bosch и FEV, австрийской AVL, американского Сообщества инженеров-автомехаников, Китайской ассоциации машиностроения, Промышленной китайской ассоциации двигателей внутреннего сгорания. Продолжают поступать поздравления от других авторитетных организаций и специалистов.

Weichai не только объявила о выходе первого в мире дизельного двигателя с реальным КПД, превышающим 50%, но также смогла добиться уровня выбросов, соответствующих требованиям национального стандарта G6/EU-VI. Корпорация первой создала возможности для серийного производства и коммерциализации продукта. Специалисты отрасли указывают на то, что повышение КПД с предыдущего уровня 46% до 50% позволит снизить расход дизельного топлива на 8% и соответственно снизить уровень выбросов CO₂ на 8%. Если отталкиваться от текущей оценки, согласно которой количество тяжелых дизельных двигателей на китайском рынке достигает 7 миллионов, то в случае замены всех дизельных двигателей на новые можно будет добиться экономии около 33,32 миллионов тонн дизельного топлива в год и снижения выбросов CO₂ на 104,95 миллиона тонн. Это станет огромным вкладом в решение экологических проблем.

Объявление о разработке первого в мире коммерческого дизельного двигателя с КПД выше 50% лишь подтвердило стремительный выход китайских технологий по созданию тяжелых дизельных двигателей на мировой уровень. В ходе проекта по разработке своего силового агрегата Weichai пользовалась поддержкой немецкой корпорации Bosch и других ведущих мировых организаций. На пресс-конференции Тан Сюйгуан объявил о том, что в будущем корпорация Weichai будет открыта к сотрудничеству и партнерству с компаниями со всего мира для движения к новой цели – создания дизельных двигателей с реальным КПД 55%!

Роторно-волновой двигатель с высоким КПД седунова вихрова паровой самый

Роторно-волновой двигатель является синергией поршневого и газотурбинного двигателя.

 

 

Роторно-волновой двигатель с расчетным механическим КПД – 97 % имеет высокий ресурс по износу деталей и ресурсу двигателя в целом – будут изнашиваться только подшипники, которые имеют большой запас по износу.

Технология ожидает финансирования!

 

Описание роторно-волнового двигателя

Роторно-волновой двигатель имеет следующий принцип работы

Роторно-волновой двигатель в сравнении с лопаточными и поршневыми машинами

Преимуществароторно0волнового двигателя

Роторно-волновой двигатель может применяться

 

Описание роторно-волнового двигателя:

Роторно-волновой двигатель – это объемная машина, воспроизводящая последовательность работы газотурбинного двигателя. В нем совершенно устранено возвратно-поступательное движение рабочих органов, ротор полностью уравновешен и вращается с постоянной угловой скоростью. Рабочее тело, как и в турбине, движется вдоль оси двигателя, траектория движения – винтовая линия. В конструкции отсутствует вредное пространство, ограничивающее рост степени сжатия рабочего тела. Из-за отсутствия уплотнительных элементов и, соответственно трения в проточной части, снимаются ограничения по ресурсу и числам оборотов двигателя.

В основе кинематики РВД лежит сферический механизм, где оси его основных деталей пересекаются в одном месте – центре воображаемой сферы.

Установленный с минимальным зазором конический винтовой ротор совмещает вращение с противоположным ему планетарным обкатыванием по внутренним огибающим корпуса. Накладывая два эти вида движения на любые сечения ротора (кроме центра – точки его перегиба), можно увидеть, что они совершают в определенной последовательности равные угловые колебания в пазах корпуса, образуя волны, которые последовательно перекатываются по ходу винтовых поверхностей корпуса. Аналогичный процесс можно видеть на море, наблюдая в ветреную погоду за перемещением волн в «стоячей воде».

В компрессорном отсеке формирование и движение волн начинается от периферии по направлению к центру, а в расширительном отсеке – наоборот – от центра к периферии.

1 – Ротор; 2 – Корпус; 3 – Вал отбора мощности; 4 – Шарнир равных угловых скоростей; 5 – Эксцентрик; 6 – Блок шестерен. А – впускное окно, Б – выпускное окно, В – компрессорный отсек, Г – камера сгорания, Д – расширительный отсек, φ – угол наклона ротора.

Ротор (1) и вал отбора мощности (3) соединяются между собой в центре двигателя шарниром Гука (4), который можно назвать шарниром равных угловых скоростей (ШРУСом). Необходимое ротору «дополнительное» обкатывание по внутренним огибающим корпуса задается вспомогательным устройством – так называемым «генератором волн». Его основной элемент – вращающийся на основном валу эксцентрик (5), с приводом через блок шестерен (6) все от того же вала. Эксцентрик, наклоняя ротор от 3 до 6 градусов, обеспечивает угловое качание сечениям ротора в пределах от 12 до 24 градусов. В такой комплектации расчетный механический КПД двигателя составит – 97 %.

Возможность использования регенеративных схем теплообмена в РВД способствует максимальной степени выделения в работу  химической энергии сгорания топлива:

 

Роторно-волновой двигатель имеет следующий принцип работы:

Как и в газовой турбине, газ в РВД перемещается между рабочими отсеками: от компрессора к ресиверу, далее в совмещенную или разделенную  камеру сгорания с камерой расширения, используя режим непрерывного течения  порций газа по каналам, при давлениях и температурах аналогично происходящих в камерах сгорания ДВС. Каждая порция газа, двигаясь в общем потоке, представляет из себя непрерывно изменяющийся в объеме, замкнутый капсулированный объем.

С началом вращения, винтовые поверхности ротора начинают открывать внутренние полости винтовых каналов компрессорного отсека, засасывая и них воздух двумя потоками, смещенными относительно друг друга на 180 градусов. За один оборот ротора в оба канала компрессорного отсека засасываются и отсекаются от впускного тракта по две порции воздуха. При дальнейшем повороте, каждая порция воздуха начнет самостоятельно перемещаться к центру двигателя, непрерывно сокращаясь в объеме за счет уменьшения шага и амплитуды самого витка. Процесс сжатия будет продолжаться до тех пор, пока все уменьшающийся объем со сжатым воздухом не подойдет к камере сгорания. В этот момент процесс внутреннего сжатия воздуха в компрессорном отсеке закончится, наступает следующий этап – выталкивание сжатого воздуха в камеру сгорания тыльной стороной витка, ближе других находящегося к центру ротора. Этот процесс сопровождается непрерывным распыливанием топлива в воздушном потоке с последующим его сгоранием в общей камере, куда и выталкиваются все порции воздуха. Для первоначального поджигания топливовоздушной смеси в камере устанавливается запальная свеча. После запуска дальнейшее поджигание смеси должно поддерживаться газами, оставшимися от предыдущих циклов в общей камере сгорания. Последние, с высокой температурой и давлением покидая камеру сгорания, заполняют на роторе винтовые каналы расширительных отсеков, расположенных по другую сторону от центра ротора (точки, где шаг и амплитуда угловых колебаний равна нулю). С поворотом последнего происходит увеличение объемов расширительных отсеков за счет чего и осуществляется рабочий ход. На момент максимального расширения, кромки наружных витков ротора открываются и газы сначала свободно, а затем принудительно выдавливаются в выпускной коллектор. Интервал выпуска отработанных газов из очередной камеры расширения составит 180 градусов. Часть полученной в цикле мощности возвращается телом ротора в компрессорный отсек.

 

Роторно-волновой двигатель в сравнении с лопаточными и поршневыми машинами:

ДВС	ГТУ	Роторно-волновой двигатель
Полный цикл рабочего тела осуществляется в одном цилиндре (вспомогательные такты заставляют конструировать органы газораспределения)	Процессы цикла распределены между отдельными агрегатами (отсутствие органов газораспределения)	Процессы цикла распределены между отдельными агрегатами (отсутствие органов газораспределения)
Высокое давление и температура сгорания топливо-воздушной смеси	Низкое давление и температура сгорания топливо-воздушной смеси	Высокое давление и температура сгорания топливо-воздушной смеси
Оптимальная работа при а (коэфф. избытка воздуха), близких к 1.	Оптимальная работа с а от 3+5 и выше	Оптимальная работа при а , близких  к 1
‘Хорошая экономичность	Низкая экономичность	Высокая экономичность
Оптимальный диапазон реализуемых мощностей от 0,1 до 1000 кВт	Оптимальная мощность от 1000 до 100000 кВт	Оптимальная мощность от 1 до 100000 кВт
Каждый тип объемной машины работает на своем сорте топлива	Потребляет любой вид жидкого или газообразного топлива	Потребляет любое жидкое, газообразное, твердое распыленное топливо
Двигатель работает с охлаждением	Двигатель работает без охлаждения	Двигатель работает без охлаждения
Работа сопровождается неполным расширением отработанных газов	Полное расширение отработанных газов	Полное расширение отработанных газов
Эффективное глушение выхлопа	Неэффективное глушение выхлопа	Отсутствие необходимости глушениявьшюпа
Высокий вес силовой установки: 1+20 кг/кВт	Низкий вес силовой установки: до 0,1 кг/кВт	Вес силовой установки в пределах 0,1+0,25 кг/кВт
При движении звеньев механизма в цепи присутствуют «мертвые точки». Для их преодоления устанавливается маховик	Отсутствие «мертвых точек» при движении механизма	Отсутствие «мертвых точек» при движении механизма
Неполное уравновешивание инерционных сил и их моментов	Неуравновешенных сил и моментов не возникает	Полное уравновешивание инерционных сил, или вообще неуравновешенных сил не возникает
Большие потери на трение (15+20%)	Низкие потери на трение (2+4%)	Низкие потери на трение (3+6%)
Выбраны резервы роста эффективного КПД	Выбраны резервы роста эффективного КПД	Существует тенденция роста эффективного кпд

 

Преимущества роторно-волнового двигателя:

– роторно-волновой двигатель имеет неограниченную мощность, малые габариты и вес (0.25-0.40 кг/кВт), высокую экономичность, свободу выбора топлива;

– рабочий процесс для камеры постоянного горения, позволяет, не останавливая двигатель, подавать в него любой вид жидкого, газообразного или даже твердого распыленного топлива;

– высокий ресурс по износу деталей и ресурсу двигателя в целом. В двигателе будут изнашиваться только подшипники, а для них ресурс в 30 – 40 тыс. рабочих часов не предел;

– роторно-волновой двигатель не имеет ограничений по ресурсу и числам оборотов из-за отсутствия уплотнительных элементов и, соответственно трения в проточной части;

– ротор вращается с постоянной угловой скоростью и уравновешивается;

– вместо клапанов, или окон, в конструкции используются каналы неограниченной пропускной способности для непрерывного поступления воздуха в рабочие отсеки двигателя;

– в РВД газовые силы, действующие на ротор, постоянны и непрерывны, что делает ненужной установку маховика, а в некоторых случаях и противовесов, применяемых для полного уравновешивания двигателя;

– расчетный индикаторный КПД простого цикла РВД в адиабатном исполнении и умеренной степени сжатия равной 15 со степенью расширения 36 составит – 51 %. Расход топлива в этом случае может составить 171 г/кВт, при удельном весе силовой установки 0,15 – 0,25 кг/кВт;

– расчетный механический КПД двигателя составляет – 97 %.

 

Роторно-волновой двигатель может применяться:

– в легких вертолетах, самолетах и дирижаблях;

– в быстроходных катерах, экранопланах;

– в мощных вездеходах, передвижных электростанциях;

– в приводном оборудовании для нефтегазового комплекса.

 

Найти что-нибудь еще?

Похожие записи:

карта сайта

автомобильный двигатель на катере
высокие обороты при запуске двигателя
высокий кпд теплового двигателя
газовые турбины авиационных двигателей
газовый и бензиновый двигатели
двигатели работающие на газовом топливе
для катера купить с высоким кпд
двигатель на приору 16 клапанов новый
двигатель ваз 2112 16 клапанов цена новый
новый двигатель ваз 2110 8 клапанов цена
газовое оборудование на дизельный двигатель
роторно поршневой двигатель купить
роторный двигатель внутреннего сгорания
стационарные двигатели для катеров катера купить
характеристика газового двигателя роторного двигателя
купить двигатель ваз 2107 инжектор цена новый
в цилиндре двигателя внутреннего сгорания давление
двигатель внутреннего сгорания характеристики кпд
работа совершенная двигателем внутреннего сгорания
купить двигатель приора 16 клапанов
купить новый двигатель фольксваген
свечи для газовых двигателей
устройство газового двигателя
мощность двигателя катера
новые двигатели на автомобили
рабочие циклы система седунова вихрова паровой самый

 

Коэффициент востребованности 3 339

Так в чем же проблемы изготовления двигателя Стирлинга с высоким КПД?: engineering_ru — LiveJournal

   Как и большинство «виртуальных стирлингостроителей», заинтересовавшихся теоретическим КПД двигателя «Стирлинга», столкнулся с множеством вопросов и заново вспомнил (да и пересмотрел с практической точки зрения) законы термодинамики. В итоге, так до конца и не выяснил, почему же при таких хороших показателях в теории, все так плохо обстоит на практике. Вот то, что смог нарыть в Интернет.

  1.  Теоретический КПД, вроде бы, может быть равен КПД идеального цикла Карно (то есть максимально возможному, при определенной разнице температур),но при условии «идеального» регенератора, с коэффициентом теплопередачи 1,0. Вот тут неясно. В одних источниках пишут, что максимальный коэффициент 0,5, обосновывая тем, что тепло будет переходить от горячего тела к холодному, пока не сравняется их температура, то есть достигнет половины разницы температур горячего и холодного тела (тот самый коэффициент 0,5). Но в некоторых источниках упоминается коэффициент теплопередачи регенератора до 0,98, при этом не описывается, каким образом это достигается. Где правда, непонятно.
  2. Альфа-стирлинг (два цилиндра с поршнями — горячий и холодный) имеет проблемы со смазкой горячего поршня. Тогда почему именно этот тип пользуется популярностью?
  3. Бетта-стирлиг (один цилиндр, с вытеснителем в горячей части и поршнем в холодной) и гамма-стирлинг (два цилиндра — горячий с вытеснителем и холодный с поршнем) не имеют проблем со смазкой, так как трение о стенки только в холодном цилиндре, а вытеснитель имеет зазор от стенок цилиндра и не нуждается в смазке. То есть, такие двигатели могут работать с большой разницей температур, а значит с большим КПД. Но, почему-то, они считаются менее перспективными, чем альфа-стирлинги.

   К тому же, важным показателем, влияющим на КПД, является время циклов (количество оборотов) – чем оно больше, тем лучше теплообмен и выше КПД. Но, при этом, наблюдается «гонка за оборотами», которую обосновать чем-то, кроме как маркетинговыми интересами довольно трудно. То есть, причина типа «потери в редукторе при низких оборотах» не выдерживает критики – такие потери исчисляются всего лишь процентами, а прирост КПД может быть выше 10-30%. Поэтому, создается ощущение, что разработчики гонятся больше за такими характеристик

Двигатель ESTEC с самым высоким в мире тепловым КПД

Подробнее о потерях

Если сравнивать бензиновый и дизельный и ДВС, можно сказать что КПД бензинового мотора находится на более низком уровне – в пределах 20-25 %. Это обусловлено рядом причин. Если, к примеру, взять поступающее в ДВС топливо и «перевести» его в проценты, то получится как бы «100% энергии», которая передается мотору, а дальше, потери КПД:

1. Топливная эффективность. Далеко не все потребляемое топливо сгорает, его большая часть уходит с отработанными газами. Потери на этом уровне составляют до 25% КПД. Сегодня, конечно, топливные системы усовершенствуются, появился инжектор, но и это не решает проблему на 100%.
2. Второе – это тепловые потери. Часть тепла уходит из ДВС с выхлопными газами, кроме этого, мотор прогревает себя и ряд других элементов: свой корпус, жидкость в ДВС, радиатор. На все это приходится еще в пределах 35%.
3. Третье, на что расходуется КПД – это механические потери. К ним относятся составляющие силового агрегата, где есть трение: шатуны, кольца, всякого рода поршни и т.д. Также сюда можно отнести потери, обусловленные нагрузкой от генератора, к примеру, чем больше электричества он вырабатывает, тем сильнее он притормаживает вращение коленвала. Конечно, различные смазки для ДВС играют свою роль, но все-таки полностью проблему трения они не решают, а это еще дополнительные потери до 20 % КПД.

Таким образом, в остатке КПД не более 20%. Сегодня существует бензиновые варианты, у которых показатель КПД несколько увеличен – до 25%, но, к сожалению, их не так много. К примеру, если автомобиль расходует 10 л топлива на 100 км, то всего лишь 2 л уйдут на работу двигателя, а все остальные – это потери.

Конечно, есть вариант увеличить мощность за счет расточки головки, но к нему прибегают довольно редко, поскольку это вносит определенные изменения в конструкцию ДВС.

Конструкторы постоянно стремятся увеличить КПД как бензинового, так и дизельного агрегатов. Увеличение количества выпускных/впускных клапанов, управление топливным впрыском (электронное), дроссельная заслонка, активное использование систем изменения фаз газораспределения и другие эффективные решения позволяют значительно повысить КПД. Конечно, в большей степени это относится к дизельным установкам.

С помощью таких усовершенствований современный дизель способен практически полностью сжечь дизтопливо в цилиндре, выдав максимальный показатель крутящего момента. Именно низкие обороты означают незначительные потери во время трения и возникающее в результате этого сопротивление. По этой причине дизельный двигатель является одним из производительных и экономичных, КПД которого довольно часто превышает отметку в 50%.

Тепловые двигатели

Темой про­шло­го урока был пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки, ко­то­рый за­да­вал связь между неко­то­рым ко­ли­че­ством теп­ло­ты, ко­то­рое было пе­ре­да­но пор­ции газа, и ра­бо­той, со­вер­ша­е­мой этим газом при рас­ши­ре­нии. И те­перь при­шло время ска­зать, что эта фор­му­ла вы­зы­ва­ет ин­те­рес не толь­ко при неких тео­ре­ти­че­ских рас­чё­тах, но и во вполне прак­ти­че­ском при­ме­не­нии, ведь ра­бо­та газа есть не что иное как по­лез­ная ра­бо­та, какую мы из­вле­ка­ем при ис­поль­зо­ва­нии теп­ло­вых дви­га­те­лей.

Опре­де­ле­ние. Теп­ло­вой дви­га­тель – устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту (рис. 1).

Рис. 1. Раз­лич­ные при­ме­ры теп­ло­вых дви­га­те­лей (Ис­точ­ник), (Ис­точ­ник)

Как видно из ри­сун­ка, теп­ло­вы­ми дви­га­те­ля­ми яв­ля­ют­ся любые устрой­ства, ра­бо­та­ю­щие по вы­ше­ука­зан­но­му прин­ци­пу, и они ва­рьи­ру­ют­ся от неве­ро­ят­но про­стых до очень слож­ных по кон­струк­ции.

Все без ис­клю­че­ния теп­ло­вые дви­га­те­ли функ­ци­о­наль­но де­лят­ся на три со­став­ля­ю­щие (см. рис. 2):

• На­гре­ва­тель
• Ра­бо­чее тело
• Хо­ло­диль­ник

Рис. 2. Функ­ци­о­наль­ная схема теп­ло­во­го дви­га­те­ля (Ис­точ­ник)

Энергетическая ценность солярки и бензина

В состав солярки входит больше тяжелых углеводородов, нежели в бензин. Меньший КПД такого мотора сравнительно с дизельным агрегатом обусловлен энергетической составляющей бензина и способом его сгорания. При сгорании равного количества бензина и солярки большее количество тепла характерно для бензина. Тепло в дизельном агрегате более полноценно преобразуется в механическую энергию. Соответственно, при сжигании равного количества топлива за определенное количество времени именно дизельный мотор выполнит больше работы.

Помимо этого, нужно учитывать особенности впрыска и условия, способствующие качественному сгоранию смеси. В дизельный агрегат топливо поступает отдельно от воздуха и впрыскивается напрямую цилиндр в конце сжатия, минуя впускной коллектор. Результатом этого процесса становится температура, более высокая, чем у бензинового мотора и максимальное сгорание топливно-воздушной смеси.

Базовые компоненты ESTEC

Основными конструктивными особенностями ESTEC являются цикл Аткинсона, геометрическая степень сжатия 13,5:1 и система EGR с жидкостным охлаждением (обычный 1NR-FE имеет степень сжатия 11,5:1 и внутреннюю рециркуляцию выхлопных газов). Система бесступенчатого регулирования фаз VVT-iE с электроприводом является ключевым элементом в реализации цикла Аткинсона. Она позволяет быстро и с высокой точностью регулировать подъем впускных клапанов и избежать затруднений, возникающих из-за разницы температуры и давления масла при холодном пуске и на прогретом моторе.

В системе рециркуляции выхлопных газов используется эффективный охладитель и быстродействующий клапан. Кроме того, впускной трубопровод, охладитель и клапан непосредственно соединены между собой для уменьшения образования конденсата от охладителя.

Оптимизированная форма впускных каналов обеспечивает быстрое наполнение цилиндров, а создаваемое завихрение способствует улучшенному сгоранию смеси. Чтобы удовлетворить требованиям, как к производительности, так и к расходу топлива, выпускной коллектор выполнен по схеме 4-2-1. Это позволяет уменьшить количество остаточных газов в цилиндрах двигателя.

Восстановление производительности

Увеличение степени сжатия до 13,5:1 снизило крутящий момент со 104 Нм до 96 Нм. Чтобы восполнить эту потерю, Toyota применила выпускной коллектор измененной формы, уменьшающий количество остаточных газов и температуру в цилиндре; новую водяную рубашку, поддерживающую оптимальную температуру поверхности цилиндров; оптимизацию времени впрыска. Комбинация этих мер (из которых главную роль играет измененный выпускной коллектор) позволила повысить крутящий момент до 105 Нм.

При малых нагрузках из-за работы охлаждаемой EGR происходят чрезмерные колебания крутящего момента. Для устранения этого недостатка используются система регулирования выпускных клапанов (Exhaust VVT) и внутренняя рециркуляция выхлопных газов. При средних и больших нагрузках работа Exhaust VVT приостанавливается, а шаг клапана системы EGR увеличивается.

Охлаждение является эффективной мерой против снижения крутящего момента у двигателей с высокой степенью сжатия. Однако одновременно это приводит к увеличению расхода топлива из-за повышения трения и потерь на охлаждение. В обычных моторах верхняя часть цилиндра нагревается больше, чем нижняя. Из-за неравномерного нагрева увеличивается трение в цилиндре. В ESTEC новая водяная рубашка со специальной прокладкой выравнивает температуру в разных частях поверхности цилиндра, снижая потери на трение и возможность возникновения детонации.

Цикл Аткинсона

Цикл Аткинсона

В двигателе, работающем по циклу Аткинсона, на такте впуска впускной клапан закрывается не вблизи НМТ, а значительно позже. Это дает целый ряд преимуществ.

Во-первых, снижаются насосные потери, т. к. часть смеси, когда поршень прошел НМТ и начал движение вверх, выталкивается назад во впускной коллектор (и используется затем в другом цилиндре), что снижает в нем разрежение. Горючая смесь, выталкиваемая из цилиндра, также уносит с собой часть тепла с его стенок.

Так как длительность такта сжатия по отношению к такту рабочего хода уменьшается, то двигатель работает, по так называемому, циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработанных газов используется более длительное время, т. е., с уменьшением потерь выпуска. Таким образом,получаем лучшие экологические показатели, экономичность и больший КПД, но меньшую мощность.

КПД дизельного двигателя заметная эффективность

Показатель КПД для разных двигателей отличается и зависит от некоторых факторов. Бензиновые агрегаты имеют относительно низкий КПД, поскольку для них характерно большое количество тепловых и механических потерь, образующихся в процессе функционирования силовой установки данного типа.

Второй фактор – трение, возникающее в результате взаимодействия сопряженных деталей. Дополнительные потери вызваны работой других систем, механизмов и навесного оборудования и т.д.

Если сравнить дизельный мотор и бензиновый, то КПД дизеля значительно превышает КПД бензиновой установки. Бензиновые моторы имеют КПД в пределах 25% от количества полученной энергии. Иными словами, из потраченных в процессе функционирования мотора двигателя 10 л бензина только 3 л израсходованы на выполнение полезной для системы работы. Остальная часть энергии, образовавшаяся от сгорания бензина, разошлась на различные потери.

Что касается КПД дизельного агрегата атмосферного, то этот показатель достаточно высокий и составляет до 40%. Установка современного турбокомпрессора позволяет эту отметку увеличить до внушительных 50%. Современные системы топливного впрыска, установленные на дизельных ДВС, в совокупности с турбиной позволяют добиться КПД даже 55%.

Такая существенная разница в производительности конструктивно похожих дизельных и бензиновых ДВС обусловлена рядом факторов, к ним относятся:

• Вид топлива.
• Способ образования топливно-воздушной смеси.
• Реализация воспламенения заряда.

Агрегаты, работающие на бензине, более оборотистые, чем дизельные, но имеют более существенные потери, которые вызваны расходом энергии на тепло. Соответственно, полезная энергия бензина менее эффективно преобразуется в полноценную механическую работу, в то же время большая доля рассеивается системой охлаждения.

10. ЦИКЛ КАРНО. КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Впервые наиболее совершенный циклический процесс был предложен французским физиком
и инженером Сади Карно в 1824 г.
Карно прожил короткую жизнь – всего 36 лет, но оставил в науке яркий след и пример плодотворного взаимного влияния науки и техники. В своем труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» Сади Карно заложил основы теории тепловых машин.

Рассмотрим цикл Карно подробнее. Пусть газ, занимающий
объем V₁ и имеющий температуру Т₁ (температура нагревателя),
приводится в тепловой контакт с нагревателем и получает
возможность изотермически расширяться и совершать работу.
Газ получает при этом от нагревателя некоторое количество
теплоты Q₁. Этот процесс представлен на рис. 4.14а изотермой ab..

Далее газ должен быть сжат, но, как уже было отмечено, при более низкой температуре, то есть изотерма сжатия должна быть ниже изотермы расширения. Только в этом случае работа расширения будет больше работы сжатия. Но мы помним, что газ не следует охлаждать соприкосновением с более холодным телом, чтобы исключить теплопередачу без совершения работы.

Сади Карно писал: «В телах, употребляемых для развития движущей силы тепла, не должно быть ни
одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема». Другими словами,
температура рабочего тела не должна изменяться без совершения работы. Значит, остается
единственная возможность – охлаждать газ, предоставив ему возможность адиабатически
расширяться. Поэтому изотермический процесс расширения не доводят до конца хода поршня
в цилиндре. Когда объем газа становится равным ,
дно цилиндра изолируют от нагревателя; после этого газ адиабатно расширяется
до объема , соответствующего максимальному ходу
поршня в цилиндре (рис. 4.14б, кривая bc). При этом газ охлаждается до
температуры Т₂. Теперь охлажденный газ можно изотермически сжимать при
температуре Т₂. Для этого его нужно привести в контакт с телом, имеющим ту
же температуру Т₂ (холодильник), и сжимать газ внешней силой. Однако в этом
процессе газ никогда не вернется в начальное состояние – температура
его Т₂ будет все время ниже Т₁. Поэтому изотермическое
сжатие доводят до некоторого промежуточного объема (рис. 4.14в, кривая cd).
В процессе изотермического сжатия газ отдает холодильнику некоторое количество
теплоты Q₂, равное совершаемой над ним работе сжатия. После этого газ
подвергают адиабатическому сжатию, в ходе которого его температура повышается
до значения Т₁ (рис. 4.14г, кривая da). После завершения цикла
газ вернулся в первоначальное состояние
(объем V₁, температура Т₁) и цикл можно повторить.

Итак, на участке abc газ совершает работу (A > 0), а на участке cda
работа совершается над газом (A bc и da работа
совершается только за счет изменения внутренней энергии газа.
Так как , то и .
Таким образом, полная работа за цикл определяется разностью работ на
участках ab и cd. Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой
цикла abcda.

На участке ab газ получает от нагревателя количество
теплоты Q₁, а на участке cd он непременно должен отдать холодильнику
теплоту Q₂, следовательно, в полезную работу преобразуется только часть
полученной газом теплоты, равная Q₁ – Q₂, и к.п.д. цикла равен:

Как показал С. Карно, к.п.д. предложенного им цикла может быть выражен через температуры
нагревателя Т₁ и холодильника Т₂. Он оказывается равным

Вместе с тем рассмотрение идеального цикла Карно имеет большое значение, поскольку указывает пути повышения к.п.д. тепловых двигателей. Из формулы (4.41) видно, что к.п.д. двигателей тем больше, чем выше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника.

В современных двигателях к.п.д. обычно увеличивают за счет повышения температуры нагревателя.
В мощных паровых турбинах в настоящее время используется пар, температура которого
достигает 600º С. В газовых турбинах температура газа достигает 900º С. Дальнейшее
повышение температуры нагревателя ограничивается жаростойкостью используемых материалов.

Это интересно

У какого двигателя самый большой КПД

Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.

Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД бензинового и дизельного агрегатов – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:

1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.

2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.

Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал —  все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.

Далее предоставляю Вашему вниманию калькулятор КПД WOT

дабы Вы могли иметь представление о том к какой категории относитесь Вы:

И тут рождается логичный вопрос, а по какой статистике лучше ориентироваться?! К сожалению, на этот вопрос у меня нет ответа, тут как говорится, на вкус и цвет товарищей нет. Выбирать именно Вам!
Но далее, в двух словах я расскажу Вам о той статистике, которая используется на сайте XVM мода, а именно:

WGR

WN8

WN6

EFF

xTE

Начнем по порядку:

WGR — это официальный рейтинг от Wargaming, четырехзначный рейтинг.

Наверное самый сложный в плане прокачки статистики. Тут наибольшее влияние на результат КПД оказывают:

Средний урон за бой

Средний урон за счет засвета по рации

Средний урон за счет удержания на гусле (не важно, Вы ли наносите урон или союзники)

————————

wn8 — рейтинг WN8 более расширенная статистика игрока (эталонная статистика), в исходном виде — четырехзначный.

Наибольшее влияние на результат оказывают:

Суммарный нанесенный урон игрока

Суммарное количество уничтоженных

Тут необходимо отметить, что эта статистика сильно зависит от машины, на которой вы играете, т.к в эталонной статистике используются для расчетов показания эталона. Грубо говоря эталон урона ни ИСУ-152 будет 700. Так вот, если вы играете на этой ПТ-САУ, то Вы должны с выстрела выбивать эти самые 700 урона, выцеливая уязвимые места противника или пробивая в бок и корму. Другими словами, чем ближе Ваш урон к эталонному, тем выше Ваша статистика.
(Примечание: цифра 700 взята «с потолка»…)

————————

wn6 — четырёхзначный КПД, взятый из за «бугра» и разработанный американскими игроками. Тут придется сильно попотеть, чтоб повысить данный КПД. Формула wn6 очень большая и сложная, но мы договорились что я Вас не буду «грузить» формулами, по этому передам основные моменты. Здесь нужно запомнить главное:

очки защиты базы не сильно влияют на КПД;

Первый засвет противника так же практически не оказывает влияния на КПД;

Захват базы вообще не учитывается;

Уничтожение танков низкого уровня оказывает меньшее влияние на рейтинг так что выбираете танк побольше Вас на пару уровней и кусаете;

Получается, что WN6 полностью зависит от Вашего вклада в бой

И особое внимание уделяется суммарному нанесенному урону игрока и суммарному количеству уничтоженных танков (при этом учитывается прочности врага, которого вы уничтожили)

Чтобы повысить этот рейтинг, я бы советовал Вам наносить побольше урона и «выносить» побольше техники противника. А это могут не все танки в игре. Например САУ, ПТ-САУ (топовые и предтоповые, а так же французские барабанные танки). Именно у них самый высокий показатель урона в минуту. Самым минимальным уроном за бой для Вас должны стать цифры выше 1500-2000.

————————

EFF — это старый добрый Рейтинг Эффективности, он же РЭ.

Для тех кто недавно «в танке», тут наибольшее влияние на результат оказывают:

Средний урон за бой;

Среднее количество фрагов (убитых противников) за бой;

Среднее количество очков защиты базы за бой;

Т.е. другими словами чтобы поднять этот КПД Вам необходимо демажить, убивать, еще и успевать на защиту собственной базы! Дерзайте

————————

xTE — это рейтинг, оценивающий Ваше умение играть на конкретном танке по сравнению со всеми другими игроками именно на этом танке.

Тут так эе как и в РЭ, основным будет:

Средний урон за бой;

Среднее количество фрагов за бой;

КПД WOT

Что такое КПД

Дословно аббревиатура КПД обозначает коэффициент полезного действия. Иными словами этот показатель обозначает, насколько игрок может быть полезен своей команде, а также насколько хороши его умения в бою.

Подсчет КПД производится на основе статистических данных. При подсчете КПД учитывает количество побед и поражений, захваты вражеской базы и сбивания захвата союзной базы, обнаружение и уничтожение противников. Кроме этого, на уровень КПД влияет техника игрока. На технике высокого уровня проще повысить этот показатель.

Для чего нужен КПД?

Также новички задумываются над тем, для чего нужен КПД World of Tanks. Все очень просто. Существует два объяснения

Главное из них заключается в том, что поскольку КПД отображает умения и навыки в бою, то на него обращают обязательно внимание при взятии в клан. Трудно попасть в хороший клан, если этот показатель на низком уровне

Помимо этого, КПД придает многим игрокам дополнительный стимул. Ведь хочется быть лучшим среди других. Как результат, игрок стремится улучшить свою статистику и КПД. Повышение этого показателя тешить самолюбие любого геймера.

Как узнать свой КПД?

В игре КПД можно посмотреть как личный рейтинг. Но бывалые игроки утверждают, что подсчет коэффициента полезного действия внутри игры производится по несправедливому алгоритму, в результате чего лавры не всегда достаются победителям. Это значит, что игрок может хорошо показать себя в бою, но при этом совсем незначительно увеличить свой КПД.

Чтобы узнать, насколько игрок действительно полезен своей команде, и какими умениями обладает, КПД смотрят на специальных онлайн ресурсах. Для проверки личного показателя достаточно вести свой никнейм и нажать кнопку «Определить» или «Загрузить данные». Самыми популярными сайтами, на которых можно посмотреть КПД в World of Tanks, являются:

• wot-news.com;
• wot-game.com;
• wot-noobs.ru.

На помощь приходит «Оленеметр»

Непосредственно в игре КПД игроков помогает определить «Оленеметр». Это специальный мод, что устанавливается в игру. Свое название он получил за то, что помогает определить опытность противника и обнаружить «оленей», то есть неопытных игроков.

Мод подсвечивает всех игроков определенным цветом в зависимости от статистики и умений. Красные игроки совсем не умеют играть, оранжевые немного лучше первых. Средними считаются геймеры с желтым цветом, а хорошие – с зеленым. Умельцы высокого класса подсвечиваются синим цветом, а уникальные игроки – фиолетовым.

Но «Оленеметр» часто ошибается, поэтому при виде команды противника, в которой большинство игроков подсвечивается красным цветом, не стоит расслабляться, так как в этом случае очень высок риск поражения. Кстати, если вы соскучились по добротным онлайновым играм, то обязательно зайдите сюда, на данном сайте вы найдете массу интересных виртуальных развлечений. Порой стоит отвлечся от «танков».

Как повысить КПД в World of Tanks?

После того как найден ответ на вопрос «Что такое КПД в Мире Танков?», многие игроки задумываются, как повысить это важный показатель. Стратегия здесь очень проста: нужно набирать очки захвата, сбивать захват противника, уничтожать врагов и всячески помогать своей команде и союзникам, но при этом оставаться живым до конца боя. Кроме этого, для улучшения КПД стоит выбрать технику не ниже 8 уровня, а лучше даже выше.

Мощность и крутящий момент

Когда показатели рабочего объема одинаковые, мощность атмосферного бензинового двигателя выше, но достигается только при более высоких оборотах. Агрегат нужно сильнее «крутить», при этом потери возрастают, соответственно увеличивается расход топлива. Кроме этого, стоит упомянуть крутящий момент, под воздействием которого повышается сила, которая передается от двигателя на колеса и способствует движению автомобиля. Бензиновые двигатели выходят на максимальный уровень крутящего момента лишь высоких оборотах.

Атмосферный дизель с такими же параметрами достигает пика крутящего момента лишь при низких оборотах. Это способствует меньшему расходу топлива, необходимого для выполнения работы, в результате чего, КПД более высокий и топливо расходуется экономнее.

В равнении с бензином, дизельное топливо образует больше тепла, так как температура сгорания дизтоплива значительно выше, что способствует более высокой детонационной стойкости. Получается, у дизельного мотора полезная работа, произведенная на конкретном количестве топлива гораздо больше.

КПД двигателя что это такое

КПД двигателя внутреннего сгорания означает значение соотношение двух величин: мощность, подающаяся в процессе функционирования мотора на коленчатый вал к мощности, которая получается поршнем посредством давления газов, образовавшихся при воспламенении топлива. Проще говоря, это преобразование тепловой или термической энергии, которая образуется при сгорании топливной смеси (бензин и воздух) в механическую.

На эффективность КПД двигателя влияют совокупность различных механических потерь, возникающих на разных стадиях функционирования, а также движение отдельных деталей двигателя, вызывающих трение. Эти детали вызывают наибольшие потери, составляющие примерно 70 % от их общего количества. К ним частям относятся поршни, поршневые кольца, подшипники. Помимо этого, потери возникают от функционирования таких механизмов, как магнето, насосы и пр., которые могут достигать до 20%. Наименьшую часть потерь составляют сопротивления, возникающие в процессе впуска/выпуска в топливной системе.

Длинноходные и короткоходные моторы – в чем разница, и какие лучше?

Средняя скорость, и какой она бывает

Для понимания вопроса придется вспомнить немного о конструкции ДВС и принципах его работы. Вы наверняка знаете, что в основе любой конструкции двигателя внутреннего сгорания лежит воздействие расширяющихся газов на поршень. Поршни могут быть любой формы и размеров, но у любого поршня есть такой параметр, как средняя скорость, и от нее зависит очень и очень многое.

Средняя скорость поршня – это величина, которую можно определить по формуле Vp = Sn/30, где S – ход поршня, м; n – частота вращения, мин-1. И именно она определяет степень возможного форсирования двигателя по оборотам, ускорения элементов шатунно-поршневой группы во время работы, а также его механический КПД.

От средней скорости поршня зависят нагрузки на стенку поршня, на поршневой палец, шатун и коленвал. Причем зависимость эта квадратичная: с увеличением скорости (Vp) в два раза нагрузки увеличиваются в четыре раза, а если в три – то в девять раз.

Эксперименты инженеров-мотористов уже очень давно доказали, что классическая конструкция шатунно-поршневой группы выдерживает максимальную скорость порядка 17-23 м/с. И чем выше эта величина, тем скорее изнашивается мотор. Увеличить скорость поршня практически невозможно – самые облегченные гоночные двигатели Формулы-1 имели скорость порядка 23-25 м/с, и это безумно много. Этого удалось достичь только потому, что «формульные» моторы рассчитаны на очень короткую эксплуатацию – от них не требуется «ходить» по 100 000 км.

От теории – к практике. Как известно, мощность мотора – это производная от крутящего момента, помноженного на обороты (об этом я писал большую статью с таблицами и графиками). То есть, если мы хотим получить больше мощности, то надо увеличивать обороты. А так как скорость поршня ограничена, то у нас не остается другого выбора, кроме как уменьшить его ход. Чем меньше расстояние нужно пройти поршню за один оборот, тем меньше может быть его скорость.

Короткоходные, длинноходные и «квадратные» моторы

Казалось бы, выше мы только что озвучили два прекрасных аргумента для максимального уменьшения хода поршня. К тому же, чем меньше ход поршня, тем больше диаметр цилиндра при том же объеме, и тем более крупные клапаны можно поставить. Улучшается газообмен, а значит, и работа мотора в целом… Но, как оказалось, безмерно уменьшать ход тоже нельзя.

Чем меньше ход, тем больше должен быть диаметр цилиндра, если мы хотим сохранить объем. А вот форма камеры сгорания с ростом диаметра цилиндра ухудшается, соотношение объема камеры и площади неизбежно растет, увеличивается коэффициент остаточных газов, возрастают тепловые потери, ухудшается сгорание топлива… КПД падает, склонность к детонации повышается, ухудшаются экономичность и экологичность.

При уменьшении хода поршня снижается, к тому же, и диаметр кривошипа коленчатого вала, а значит, уменьшается крутящий момент мотора. Ухудшаются и массогабаритные параметры двигателей – они становятся куда крупнее в горизонтальном сечении. К тому же для сохранения рабочего объема приходится увеличивать число цилиндров, а это уже ведет к резкому повышению сложности конструкции. В общем, нужен был компромисс.

Основные задачи проектирования моторов решили к 60-м годам прошлого века, тогда же нащупали пределы прочности конструкции по средней скорости поршня. Стало ясно, что оптимальные параметры мощности, общего КПД и габаритов у атмосферного мотора получаются в том случае, если диаметр цилиндра равен ходу поршня или чуть меньше.

На фото: двигатель Nissan Qashqai

Если они совпадают, то такие моторы еще называют «квадратными». Моторы, у которых диаметр цилиндра все-таки больше хода поршня, называют короткоходными, а те, у которых он меньше, – длинноходными.

Внимательный читатель скажет: стоп, а откуда вообще взялись короткоходные моторы, если эксперименты доказали, что эффективнее всего «квадратные» или чуть-чуть длинноходные?! Все просто: короткоходники получили распространение в автоспорте. Там расход топлива и приемистость на низких оборотах не сильно «делали погоду», и можно было пожертвовать КПД ради достижения большей мощности на высоких оборотах при сохранении малого рабочего объема.

Для получения лучшей топливной экономичности, тяги и чистоты выхлопа, наоборот, ход поршня увеличивали, жертвуя оборотами и максимальной мощностью. Длинноходные моторы применяли там, где были нужны тяга и экономичность.

Тем временем, к 80-м годам среднюю скорость поршня в серийных моторах довели до предела в 18 м/с, дальше ее увеличивать не получалось. Такая ситуация сохранилась до 90-х, когда требования к массогабаритным и экономическим характеристикам моторов резко возросли.

Длинноходный прогресс

90-е годы – это в первую очередь массовое внедрение новых экологических норм, резкое повышение массы кузова автомобилей из-за новых требований по пассивной безопасности, а заодно и возросшие требования к габаритам и экономичности силовых агрегатов. Машины становились просторнее изнутри и безопаснее во всех смыслах.

А двигателям приходилось поспевать за прогрессом. Массовый переход на многоклапанные головки блоков цилиндров повысил мощность и сделал моторы чище. Средний рабочий объем мотора постарались уменьшить и тем самым выиграть в расходе топлива и габаритах. Прогресс в области конструирования поршневой группы позволил уменьшить высоту поршня и увеличить длину шатуна, сделав больше механический КПД мотора.

Следовательно, стало возможно перейти к более длинноходным конструкциям, которые при том же рабочем объеме были компактнее, имели больший крутящий момент и к тому же стали экономичнее. Облегчение поршневой группы позволило снизить нагрузки на нее при высоких оборотах, а массовое внедрение турбонаддува и регулируемого впуска – еще и выиграть в максимальной мощности и тяге. Умеренно длинноходные моторы от этого только выиграли.

В 2000-е в стане двигателей объемом от 2 литров наметился перелом в переходе от «квадратов» к длинноходным конструкциям. И вот вам несколько примеров. При рабочем объеме 2 литра моторы VW серии ЕА888 (стоят на множестве моделей концерна от Skoda Octavia до Audi A5) имеют ход поршня 92,8 мм при диаметре цилиндра 82,5, а 2-литровые моторы Renault серии F4R (более всего известный по Duster) – 93 мм и 82,7 соответственно. Моторы Toyota объемом 1,8 л серии 1ZZ (Corolla, Avensis и др.) – еще более длинноходные, их размерность 91,5х79.

На фото: двигатель Volkswagen Golf GTI

Рабочие обороты таких двигателей заметно уменьшились, особенно у турбонаддувных, снизились и обороты максимальной мощности. А значит и снижение механического КПД уже не столь важно, зато преимущества налицо. По габаритам моторы лишь немного больше «классических» 1,6 из недавнего прошлого, а по тяге и расходу топлива намного превосходят однообъемных предшественников.

В современных моторах пытаются сочетать высокую эффективность работы длинноходных моторов и повышенный механический КПД короткоходных. Так, в ультрасовременном (но тем не менее уже снимаемом с производства) моторе BMW серии N20В20 (стоят на 1-й, 3-й, 5-й сериях, X1 и X3) применяется несимметричная поршневая группа, в которой ось коленчатого вала и ось поршневых пальцев смещены относительно оси цилиндров. Тут используются регулируемый маслонасос, плазменное напыление цилиндров, бездроссельный впуск и прочие технические «фокусы» для снижения механических потерь и сопротивления впуска. Размерность этого длинноходного мотора 90,1х84, и никто не скажет, что у него плохие характеристики хоть в чем-то, кроме надежности.

Дизели

Дизельные моторы, которые в силу особенностей рабочего цикла обычно являются длинноходными и низкооборотными, выиграли вдвойне. Внедрение турбонаддува резко подняло крутящий момент и позволило снизить степень сжатия, а прогресс топливной аппаратуры и поршневой группы – еще и увеличить рабочие обороты.

На фото: двигатель Volkswagen Golf TDI

В итоге дизели превзошли по литровой мощности атмосферные бензиновые моторы, а по крутящему моменту – бензиновые моторы с наддувом. Так, двигатели серии N57 (3-я, 5-я, 7-я серии, X3, X5 и др.) от BMW при диаметре цилиндра 84 мм и ходе поршня 90 мм имеют рабочий объем 2,993 литра, мощность до 381 л. с. и 740 Нм крутящего момента. Средняя скорость поршня при этом – 13,2 метра в секунду.

Оборотная сторона

Конечно же, беспроигрышных лотерей не бывает, и чудесной высокой отдачи добились ценой надежности – тут нет никакого секрета. Старый принцип актуален и поныне: у «сильно длинноходных» моторов высокая средняя скорость поршня увеличивает нагрузку на стенки цилиндра.

Конечно же, материалы становятся лучше, но при сравнении двигателей одной серии с разными параметрами хода поршня и диаметра цилиндра заметно, что длинноходные модели более склонны к износу поршневых колец и задирам цилиндров. И ресурс поршневой у них оказывается существенно ниже, чем у более «квадратных» собратьев.

А вот при сравнении разных моторов все далеко не так однозначно. На моторах с алюминиевым блоком и алюсиловым покрытием стараются снизить нагрузку на стенку цилиндра в том числе и снижением хода поршня, но, как правило, все равно ресурс получается меньше, чем у моторов с чугунными гильзами или блоком.

Мотор Renault-Nissan серии M4R (Qashqai, Fluence и др.), который пришел на смену уже упомянутому чугунному F4R, имеет ход поршня 90,1 мм при диаметре цилиндра 84 – он все еще длинноходный, но ход поршня значительно сократился. Габариты при этом не увеличиваются за счет более тонкостенной конструкции блока цилиндров.

На фото: двигатель Renault Latitude

Современные двигатели не нуждаются в высоких оборотах для достижения высокой мощности, а экономичность и экологичность становятся все важнее. Пусть даже в реальной эксплуатации заявленные характеристики и не подтверждаются… К тому же, можно путем усложнения конструкции обойти множество ограничений, которые десятки лет заставляли делать выбор между мощностью и экономичностью моторов.

Короткоходные «крутильные» моторы просто вымирают, им нет места в новом мире. Даже в Формуле-1 отказались от экстремальных конструкций с рабочими оборотами за 19 тысяч и соотношением диаметра цилиндра и хода поршня больше 2,4 к 1. Конечно, для фанатов и гоночных серий выпуск подобной техники сохранится, но в практическом плане смысла в ней уже нет. Победа длинноходных конструкций, за редким исключением, фактически состоялась.

Одним из немногих «оплотов короткоходности» до недавнего времени оставались атмосферные V6 и V8 от Mercedes-Benz. Так, моторы серии М272 (E-Klasse W211, M-Class W164 и др.) – откровенно короткоходные во всех вариантах исполнения. Например, у 3-литровой версии соотношение хода к диаметру будет 82,1 к 88. Как и их предки в лице М104, так и их наследники вплоть до М276, они были олицетворением успешных короткоходных моторов. Компания не стремилась к излишней компактности моторов, места было достаточно, а момента у двигателей объемом 3-3,5 литра и так хватало с запасом. Городить длинноходную конструкцию не было смысла.

Но новое поколение двигателей AMG серий М133/М176 с наддувом стали длинноходными – 83х92 мм, как и перспективная рядная шестерка 3,0 с наддувом серии М256 – 83х92,4 мм.

На фото: двигатель Mercedes-AMG CLA 45 4MATIC

Из «могикан» остаются разве что моторы GM, их блок V8 6,2 Vortec/L86/LT1 все еще не стремится к компактности, имея размерность 103,25х92 мм, и даже компрессорная версия LT4 сохраняет ту же размерность блока. Но это, скорее всего, тоже ненадолго.

Конец спорам

Даунсайз, наддув, непосредственный впрыск, гладкая моментная характеристика, высокий крутящий момент, регулируемый ГРМ и продвинутые трансмиссии сотворили маленькое чудо. Споры «длинноходный или короткоходный» уже более не актуальны.

Моторы вдруг прибавили в литровой мощности до границ, ранее считавшихся возможными только для специально подготовленных гоночных моторов. Увидев цифры в 120-150 л. с. с литра объема, мы уже не удивляемся, и даже 200 л. с. на литр кажутся вполне реальными, а «смешной» паспортный расход топлива для мощной и тяжелой машины кажется вполне реальным. Дизельные двигатели из «гадких утят» превратились в прекрасных лебедей с литровой мощностью даже большей, чем у бензиновых двигателей.

Во многом все это, плюс уменьшение габаритов и веса моторов, стало возможным благодаря длинноходной конструкции. Окончательно оформившийся тренд вряд ли переломится, особенно с учетом прогнозируемого вытеснения ДВС электромоторами и разнообразными «удлинителями дистанции».

КПД двигателя

КПД двигателя

Hannu Jääskeläinen

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Преобразование энергии топлива в полезную работу в двигателе внутреннего сгорания связано с рядом потерь. К ним относятся химические потери энергии в выбросах, потери тепла от двигателя и через выхлопные газы, а также потери при перекачивании газа и трение в двигателе.Соответственно, общий тепловой КПД тормоза двигателя является продуктом сгорания, термодинамики, газообмена и механического КПД.

Потери энергии в двигателе

Обобщение убытков

Преобразование энергии топлива в полезную работу в двигателе внутреннего сгорания связано с рядом потерь. Основные потери энергии в двигателе и соответствующие коэффициенты эффективности показаны на Рисунке 1 [3038] . Другие исследования факторов, влияющих на эффективность двигателя, с акцентом на низкотемпературное сгорание, можно найти в литературе [4886] .

Рисунок 1 . Обзор потерь энергии в типичном двигателе внутреннего сгорания

Начиная с сжигания углеводородного топлива и выделения его энергии, небольшое количество топлива не полностью превращается в идеальные продукты сгорания CO ₂ и H ₂ О. Энергия, остающаяся в несгоревшем топливе и промежуточных продуктах сгорания, равна учитывается полнотой сгорания .

Второй закон термодинамики определяет, что только часть энергии, выделяемой в процессе горения, может быть преобразована в полезную работу.Эта доля учитывается с помощью термодинамической эффективности , которая зависит от деталей цикла, используемого для преобразования тепла в работу. Для двигателей внутреннего сгорания верхний предел термодинамической эффективности обычно определяется расчетами циклов Отто и Дизеля. Энергия сгорания, которая не преобразуется в механическую работу, теряется в виде тепла либо за счет выпуска горячих выхлопных газов в окружающую среду, либо за счет передачи тепла через поверхности камеры сгорания. Общая указанная эффективность равна произведению полноты сгорания и термодинамической эффективности и отражает общую работу, произведенную сгоранием топлива.

Часть энергии, которая была преобразована в работу, используется для подачи всасываемых газов в двигатель и удаления выхлопных газов. Эти потери при перекачке учитываются с помощью коэффициента газообмена . Чистая показываемая эффективность регулирует полную показанную эффективность, чтобы учесть работу, необходимую для перемещения газов в двигатель и из него.

Также необходимо выполнить некоторую работу для преодоления трения между поверхностями скольжения, такими как поршневые кольца и подшипники, и для приведения в действие необходимых вспомогательных устройств, таких как насосы для масла и охлаждающей жидкости.Последний приходится на с механическим КПД . Как это ни странно, потери при газообмене и потери на трение иногда объединяются в одну потерю, которая используется для определения механического КПД. Это обсуждается ниже.

Таким образом, оставшаяся работа, тормозная работа, доступна от двигателя для выполнения полезной работы. Эффективность тормозов (или термическая эффективность тормозов) может быть выражена как:

η _тормоз = η _{горение} · η _{термодинамический} · η _{газообмен} · η _{механический} (1)

Другой способ выразить эффективность торможения — [3980] :

.

η _тормоз = η _{замкнутый цикл} · η _{открытый цикл} · η _{механический} (2)

где:
η _{замкнутый цикл} — КПД замкнутого цикла, при этом замкнутый цикл является частью 4-тактного цикла, когда впускные и выпускные клапаны закрыты.η _{замкнутый цикл} = η _{сгорание} · η _{термодинамический}
η _{открытый цикл} — это эффективность открытого цикла, открытый цикл является частью 4-тактного цикла, когда впускные или выпускные клапаны открыты. η _{открытый цикл} = η _{газообмен}

Следует отметить, что это обсуждение эффективности двигателя проводится с точки зрения процесса, используемого для преобразования тепла в работу, т. Е. Оно ограничено определенным типом машины и отражает ограничения машины или термодинамического цикла, используемого для преобразования тепла. работать.Эффективность также можно рассматривать с точки зрения топлива и количества топливной эксергии, которую можно преобразовать в работу. Более поздний подход, обсуждаемый ниже, является более общим и не ограничивается каким-либо конкретным термодинамическим циклом.

Топливо Энергия

В двигателе внутреннего сгорания воздух и топливо смешиваются с образованием горючей смеси, которая воспламеняется и выделяет энергию в виде тепла. Количество выделяемого тепла зависит от ряда факторов. Хотя количество топлива, захваченного в цилиндре, является основным определяющим фактором содержания энергии в захваченной воздушно-топливной смеси и, следовательно, общего количества тепла, которое может высвободиться, также важен ряд вторичных факторов.Эти второстепенные факторы включают детали о составе топлива, такие как тип элементов, содержащихся в топливе, и характер связей, соединяющих элементы вместе.

Для двигателей чистая энергия, выделяемая при сгорании, обычно представлена ​​более низкой теплотворной способностью (LHV) топлива, поскольку предполагается, что вода, полученная при сгорании, остается в парообразном состоянии. На рис. 2 показана LHV ряда видов топлива, которые могут использоваться в двигателе внутреннего сгорания, в зависимости от их стехиометрического отношения воздух-топливо.Обратите внимание, что для углеводородного топлива LHV очень похожи и значительно выше, чем для топлива, содержащего кислород. Кислородные функциональные группы вносят меньший вклад в чистую энергию во время сгорания, но при этом вносят значительный вклад в массу и объем топлива.

Рисунок 2 . Более низкая теплотворная способность (LHV) различных видов топлива по сравнению со стехиометрическим соотношением воздух-топливо

Данные из [391]

После того, как выбор топлива определен, мощность двигателя определяется содержанием энергии в топливно-воздушной смеси, удерживаемой в цилиндре перед сгоранием.Для двигателей, в которых смешивание воздуха и топлива осуществляется до впуска всасываемого заряда в цилиндр, эта энергия связана с количеством смеси воздуха и топлива, которое может быть введено и захвачено в цилиндр. Для двигателей, в которых смешивание воздуха и топлива происходит в цилиндре после IVC, это зависит от количества воздуха, которое может быть введено и захвачено в цилиндр. Можно показать, что [4730] :

Hport = ρmixLHVfλ · AFRstoich + 1H_port = {ρ_mix LHV_f} над {λ AFR_stoich +1} (3)

где:
H _порт = содержание энергии на единицу объема цилиндра смеси, образовавшейся перед впуском в цилиндр, МДж / м ³
ρ _смесь = плотность смеси, кг / м ³
LHV _f = нижняя теплотворная способность топлива, МДж / кг
λ = относительная воздушно-топливная смесь
AFR _stoich = стехиометрическая воздушно-топливная смесь

и

HDI = ρairLHVfλ · AFRstoichH_DI = {ρ_air LHV_f} над {λ AFR_stoich} (4)

где:
H _DI = содержание энергии на единицу объема цилиндра смеси, образовавшейся в цилиндре после IVC, МДж / м ³
ρ _{воздуха} = плотность воздуха, кг / м ³

Следует отметить, что для большинства жидких видов топлива разница между H _порт и H _DI невелика.Однако для газообразного топлива, такого как метан, основного компонента природного газа, разница может быть более значительной, рис. 3. Кроме того, в некоторых случаях, когда воздух и топливо смешиваются в цилиндре до IVC, порт H больше отражает энергию, которая может быть захвачена в цилиндре. Эффект повышения давления на впуске с помощью турбонагнетателя или нагнетателя в уравнении (3) и уравнении (4) учитывается с помощью члена плотности.

Рисунок 3 . Энергия сгорания на единицу объема цилиндра смеси метана и воздуха в зависимости от λ

При 0 ° C, 101.325 кПа

На рисунке 4 показаны значения H _{, порт} и H _DI для стехиометрических смесей нескольких видов топлива при стандартных условиях в зависимости от их стехиометрического соотношения воздух-топливо и основанные на наиболее распространенных способах смешивания их с всасываемым воздухом [4730] . Несмотря на наличие важных различий, следует отметить, что выходная мощность двигателя, работающего на любом из этих видов топлива, на основе одной только плотности энергии смеси, будет очень похожей. Однако следует отметить, что одной плотности энергии смеси недостаточно для определения максимальной мощности двигателя.

Рисунок 4 . Энергия сгорания на единицу объема цилиндра смеси топлива и воздуха при λ = 1 в зависимости от стехиометрического отношения воздух-топливо

При 0 ° C, 101,325 кПа

###

Что такое КПД двигателя? (с рисунками)

Эффективность двигателя означает способность двигателя преобразовывать доступную энергию из своего топлива в полезную рабочую мощность. Современный бензиновый двигатель внутреннего сгорания в среднем работает с КПД двигателя примерно от 20 до 30 процентов. Остальные 70–80 процентов тепловой энергии бензина выводятся из двигателя в виде тепла выхлопных газов, механической звуковой энергии или потерь на трение.На холостом ходу КПД двигателя равен нулю, поскольку двигатель не движется с автомобилем и работает только с дополнительными устройствами, такими как водяной насос и генератор.

Дизельные двигатели более эффективны, чем бензиновые, отчасти потому, что они используют высокую степень сжатия для воспламенения топлива.

Дизельные двигатели немного эффективнее. В дизельном двигателе для воспламенения топлива используется высокая степень сжатия. Эта более высокая степень сжатия компенсирует паразитные потери двигателя, снижающие тепло, и приводит к примерно 40-процентному КПД двигателя от холостого хода до почти 2000 оборотов в минуту. Такой КПД двигателя наблюдается только в дизельных двигателях с прямым впрыском.

Неэффективность, присущая паровым поршневым двигателям, привела к упадку паровозов.

Степень сжатия двигателя влияет на его эффективность. Частично это связано со способностью двигателя преобразовывать тепло от процесса зажигания в работу по выработке энергии. Типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с коэффициентом сжатия не более 10: 1. И наоборот, типичный дизельный двигатель может работать с коэффициентом сжатия до 25: 1.Чем выше степень сжатия, тем выше общий КПД двигателя.

Количество кислорода, которое может поглотить двигатель, напрямую влияет на его способность работать более эффективно. Это причина введения закиси азота в топливную систему бензинового двигателя.Закись азота добавляет в топливо молекулы кислорода, позволяя сжечь больше топлива в камере сгорания. Это сжигание добавленного топлива позволяет двигателю работать более эффективно.

Тип топлива также напрямую влияет на КПД двигателя.Бензин с более высоким октановым числом позволит двигателю работать с более высокой степенью сжатия. Это, в свою очередь, повышает эффективность двигателя. Такие виды топлива, как нитрометан, производят кислород, тем самым создавая гораздо большую мощность, позволяя сжигать больше топлива в двигателе.

Некоторые двигатели еще менее эффективны.Например, поршневой паровой двигатель работает с КПД двигателя примерно 8 процентов. Это было основным фактором исчезновения паровоза. С другой стороны, паровые турбины работают с КПД, равным или превышающим КПД дизельного двигателя. Вот почему паровая турбина используется на электростанциях. Газотурбинный двигатель является наиболее эффективным из всех двигателей при работе на полной мощности. Они используются для выработки электроэнергии в периоды интенсивного использования и отключаются после удовлетворения дополнительной потребности.

Внедорожники, как правило, расходуют меньше топлива, чем автомобили меньшего размера.

Повышение эффективности двигателя внутреннего сгорания

Запустите двигатель на обедненном топливе, то есть используйте избыток воздуха. Хорошо известно, что работа на обедненной смеси повышает эффективность.Раньше в крейсерских условиях двигатели всегда работали на обедненной смеси с избытком воздуха около 15% — это было экономично. Так что же это изменить? Проблема заключается в трехкомпонентном катализаторе (CO, UHC, NOx), который используется в выхлопных газах двигателя. Это работает, только если соотношение воздух / топливо в двигателе (по массе) стехиометрическое (химически правильное). Для бензина это соотношение составляет 14,6: 1. Компьютер двигателя, действуя совместно с датчиком воздушного потока двигателя, электронными топливными форсунками и датчиком кислорода в выхлопных газах, поддерживает стехиометрическое соотношение на протяжении большей части вашего вождения.Только при таком соотношении катализатор может одновременно окислять CO и UHC (до CO ₂ и H ₂ O) и химически восстанавливать NOx (до N ₂ ). (UHC = несгоревшие углеводороды.) Человечеству нужен катализатор обедненного NOx. Тогда мы могли бы повысить эффективность и оставаться чистыми!

Также необходимы способы улучшения воспламеняемости обедненной смеси в бензиновых двигателях. То есть способность сжигать реальную бедную смесь ограничена топливом. Если смесь бензина с воздухом слишком бедная, пламя не будет иметь достаточной скорости, чтобы пройти через цилиндр за время, разрешенное скоростью вращения двигателя, которую хочет водитель, или пламя даже не запустит пропуски зажигания в цилиндре, и тогда катализатор будет чтобы окислить огромное количество UHC и, следовательно, может перегреться (что может означать, что вам придется покупать новый катализатор).

Фон:

Первый курс термодинамики может научить эффективности цикла Отто (который является идеальным циклом, используемым для моделирования бензинового автомобильного двигателя с искровым зажиганием). Такой курс выведет следующее уравнение для эффективности цикла Отто:

ч

= 1 1 / r _v ^г-1

Степень сжатия двигателя r _v . Собственно, это соотношение объемов. Это отношение объема в цилиндре, когда поршень находится внизу цилиндра, к объему в цилиндре, когда поршень находится в его верхнем положении: r _v = V _внизу / V _вверху .

У большинства автомобильных двигателей степень сжатия находится в диапазоне от 9 до 10,5. Отметим: чем выше степень сжатия, тем выше КПД! Параметр g представляет собой отношение удельной теплоемкости, т. Е. Удельной теплоемкости при постоянном давлении и удельной теплоемкости постоянного объема. На практике чем выше g, тем выше КПД. Такой газ, как гелий или аргон, состоящий только из атомов, имеет максимально возможное значение g — 1,67. С другой стороны, комнатный воздух, состоящий в основном из молекул O ₂ и N ₂ , имеет g 1.4. Топливный пар имеет на g меньше, чем воздух. Смесь воздуха и паров бензина, вводимая в двигатель, имеет g около 1,35. Поскольку эта смесь сжимается и нагревается во время такта сжатия, ее g падает примерно до 1,33. При сгорании (когда поршень находится около своего верхнего положения) топливо окисляется до CO ₂ (и некоторого количества CO) и H ₂ O, и g падает дальше. Он падает в диапазоне 1,20–1,25. Общий эффективный g для всего цикла для использования в приведенном выше уравнении эффективности составляет около 1.27 .

Практическое правило: чем сложнее молекулы, тем меньше g. Нижний предел равен 1. Атомы аргона и гелия только перемещаются, то есть они движутся по прямой траектории, пока не встретят другой атом. Молекулы комнатного воздуха перемещаются и вращаются (примерно по 2 осям). Горячий воздух начинает вибрировать (как два ядра, соединенных пружиной). Молекулы паров топлива имеют много возможностей вибрировать даже при комнатной температуре. Продукты сгорания вибрируют.Тем не менее, только перемещение молекул ТОЛКАЕТ поршень. Другие режимы молекулярного движения ничего не делают для толкания поршня. Таким образом, когда g падает (что указывает на усиление вибрации молекул), h падает. Бедный двигатель (т.е. двигатель с избытком воздуха) имеет более холодный процесс сгорания и больше воздуха по сравнению с топливом, чем типичный двигатель с химически правильной смесью. Таким образом, его g больше, а h больше.

Подставьте g = 1,27 в приведенное выше уравнение эффективности, предположите, что r _v = 10, и вы получите h = 0.46. ​​Умножьте это примерно на 0,75, чтобы учесть эффекты реального цикла (например, время, необходимое для горения, потери тепла в охлаждающую жидкость и выпускные клапаны, которые открываются до того, как поршень полностью достигнет нижнего положения), и вы получите h = 0,35. Это эффективность (указанная выше) использования химической энергии топлива для толкания поршней. Умножьте это на механический КПД двигателя, который учитывает механическое трение в двигателе и работу по перекачке воздуха (и топлива), которую необходимо выполнить, и вы получите конечный или общий КПД двигателя.Конечно, механический КПД зависит от условий вождения. Чем выше частота вращения двигателя, тем больше потери на трение. Чем больше закрыта дроссельная заслонка (т. Е. Чем дальше вы снимаете ногу с педали), тем выше насосные потери. Для типичного вождения в США общий КПД двигателя составляет около 20%. Обратите внимание, ваша педаль на самом деле не педаль газа, это педаль воздуха! Добавьте к этому механические потери на трение трансмиссии и реальной оси (или потери на трение трансмиссии) и утечку некоторых основных принадлежностей, и вы получите 15% -ный коэффициент расхода топлива на колеса для типичного автомобиля, управляемого в США.

Более высокая степень сжатия. Здесь мы ограничены самовоспламенением детонации бензина. То есть, если компрессия бензинового двигателя выше примерно 10,5, если октановое число топлива не является высоким, происходит детонационное сгорание. Это раздражает, и, если будет продолжаться, может произойти повреждение двигателя. Таким образом, эффективность бензиновых двигателей ограничена из-за неспособности топлива плавно сгорать в двигателях с высокой степенью сжатия.

Однако это ограничение не распространяется на дизельный двигатель.Он работает с высокой степенью сжатия. Отчасти этим объясняется его высокая эффективность. Он также работает на обедненной смеси, и его перекачивающая работа невысока, что еще больше увеличивает его эффективность по сравнению с бензиновым двигателем. Человечеству нужны тихие, бездымные дизели без запаха!

Нам нужно ввести в практику новые циклы. Примером может служить цикл Аткинсона. Он имеет меньшую степень сжатия, чем степень расширения. Это означает, что T _C уменьшается, поскольку сгоревший газ охлаждается по мере расширения, что делает цикл эффективным.Мы выбрасываем меньше тепла через выхлоп.

Запустите двигатель в оптимальных условиях, что означает низкое трение (умеренные обороты двигателя) и низкую насосную работу (воздушный дроссель более открыт). Попытайтесь приблизиться к КПД «толкания поршней» в 35%. Это уже происходит в некоторых стационарных поршневых двигателях, например, в больших тихоходных поршневых двигателях, используемых на компрессорных станциях трубопроводов. Кроме того, это важная характеристика двигателей, используемых в гибридных бензиново-электрических транспортных средствах.Пусть бензиновый двигатель в гибридной бензиново-электрической силовой установке работает только с хорошим открытием дроссельной заслонки и скромными оборотами. Пример одного типа коммерчески доступного гибридного двигателя («параллельного» типа) можно найти по адресу:

Обзор эффективности и выбросов автомобильных двигателей (Журнальная статья 2020-01-0352)

Этот контент не включен в вашу подписку SAE MOBILUS, или вы не авторизованы.

Язык: английский

Аннотация:

Этот обзор охватывает некоторые из основных достижений, относящихся к сокращению выбросов парниковых газов из выхлопных труб и критериальных загрязнителей.Обсуждаются как новые, так и будущие нормативные акты, а также разрабатываемые технологии для улучшения двигателей и систем последующей обработки.

Очевидно, что в основных странах делается акцент на сокращении выбросов парниковых газов, что достигается за счет амбициозных целей по CO ₂ и электрификации. Рассмотрены несколько отработанных технологий двигателей внутреннего сгорания (ДВС), которые обещают обеспечить двузначное сокращение выбросов CO ₂ . Мы подробно рассмотрим некоторые из них, включая воспламенение от сжатия бензина, сгорание в камере сгорания, впрыск воды и отключение цилиндров.Исследуются электрификация трансмиссии и синергетический эффект с передовыми технологиями двигателей. Обосновывается необходимость проведения комплексного анализа при оценке различных вариантов трансмиссии и подчеркивается роль гибридов в достижении значительного и немедленного сокращения выбросов CO ₂ . Впервые также кратко обсуждается роль современных видов топлива и их потенциал для снижения выбросов.

Что касается основных загрязнителей, основное внимание остается на сокращении выбросов NOx и твердых частиц.Калифорния возглавляет свод правил для большегрузных грузовиков, нацеленный на сокращение выбросов NOx на 90%, и элементы предложения обсуждаются. Задача состоит в том, чтобы добиться этого сокращения, не влияя на выбросы CO ₂ . В настоящее время проводятся различные исследования, предлагаются технологические пути и мы рассматриваем ведущие концепции. К ним относятся моноблочная система SCR с двойным дозированием, инновационные решения для низкотемпературного дозирования мочевины, деактивация цилиндров, передовые методы сгорания, электрификация и двигатели, работающие на природном газе.

Для транспортных средств малой грузоподъемности реальные нормы выбросов от вождения (RDE), похоже, устраняют несоответствие между лабораторными и дорожными выбросами NOx, и обсуждаются соответствующие данные. Обсуждаются правила для легких грузовиков после Евро-6, и рассматриваются как возможные нормативные изменения, так и разработки системы последующей обработки. Основное внимание будет по-прежнему уделяться сокращению выбросов при холодном запуске, и будут проанализированы исследования как для дизельных, так и для бензиновых двигателей.

Стандарты количества твердых частиц в Европе и Китае предусматривают усиление фильтров для твердых частиц бензина (GPF) на этих рынках, и кратко описаны улучшения в этой технологии.Ожидается, что требования к эффективности фильтрации будут расти с дальнейшим ужесточением правил, и ожидается, что в будущем для транспортных средств с впрыском топлива в портах также потребуются GPF.

Рекордный КПД для газового двигателя

Двухлитровый четырехцилиндровый газовый двигатель с форкамерой на испытательном стенде в моторной лаборатории Empa. Кредит: Empa

В конце мая в Брюсселе состоялась финальная встреча проекта «Горизонт 2020» GasOn с Комиссией ЕС.Целью этого проекта ЕС было дальнейшее развитие газовых двигателей для автомобилей и фургонов. В мероприятии приняли участие около 20 партнеров, включая ETH Zurich и Empa, а также четыре европейских производителя автомобилей и известных поставщиков. Транспортные средства, работающие на газе, обычно выделяют меньше загрязняющих веществ, чем автомобили с бензиновым или дизельным двигателем. Они, вероятно, приобретут значение в будущем из-за возможности использования возобновляемых источников энергии.

Помимо электрических и водородных силовых агрегатов, газовые двигатели также играют важную роль в Швейцарском центре компетенций по энергетическим исследованиям в области мобильности (SCCER Mobility), возглавляемом ETH Zurich.Это связано с тем, что автомобили, работающие на предварительно обработанном биогазе или синтетическом метане («электронный газ»), имеют очень низкие выбросы CO ₂ . Синтетический метан производится из возобновляемой избыточной электроэнергии и CO ₂ . Предварительно обработанный биогаз и синтетический метан можно смешивать по желанию, и, с октановым числом до 130, они имеют значительно более высокую стойкость к детонации, чем бензин, что делает их идеальным топливом для двигателей внутреннего сгорания. При высоких нагрузках, например, на автомагистралях, газовые автомобили уже обладают более высокой эффективностью, чем бензиновые двигатели.

Однако эффективность все еще может быть значительно увеличена — из-за высокой детонационной стойкости метана — потому что сегодняшние газовые двигатели в легковых автомобилях обычно представляют собой лишь слегка адаптированные бензиновые двигатели, то есть концепции, которые еще не оптимизированы для работы с метаном. Для выявления этого неиспользованного потенциала в 2015 году был запущен проект ЕС «GasOn». Исследователи из ETH Zurich и Empa также участвовали в этом проекте в рамках рабочего пакета, возглавляемого Volkswagen Group Research.

Разобрали форкамеру. Кредит: Empa

Газоптимизированный двигатель

В газовом двигателе объемом два литра был реализован высокоэффективный процесс сгорания: обедненная газовая смесь воспламеняется с помощью форкамеры с ограничением потока размером с гильзу. В лаборатории аэротермохимии и систем сгорания ETH базовые эксперименты проводились на оптически доступных двигателях. Они использовались для исследования поведения воспламенения в форкамере и перетекания горячих лучей в основную камеру сгорания.На основе этих данных были разработаны численные инструменты для детального расчета процессов с помощью компьютерного моделирования. Эти результаты позволили Volkswagen Group Research оптимизировать конструкцию форкамеры и основной камеры сгорания. Ученые Empa соответствующим образом настроили двигатель и исследовали процесс сгорания. Использовалась система управления двигателем, разработанная Институтом динамических систем и технологий управления ETH Zurich, которая координирует сложную общую систему и в то же время позволяет адаптироваться к новым открытиям.

Разрез головки блока цилиндров испытуемого двигателя: в центре видна форкамеру со свечой зажигания и подачей газа. Кредит: Empa

Результат: рекордная эффективность для двигателей легковых автомобилей

По сравнению с современным уровнем техники, потребление нового газового двигателя с форкамерным процессом сгорания было снижено на 20 процентов (пересчитано в стандартное потребление WLTP для легкового автомобиля среднего размера).Максимальный КПД в наилучшей конфигурации двигателя составил более 45 процентов, при этом КПД более 40 процентов был достигнут в широком рабочем диапазоне. Такие значения в настоящее время достигаются только значительно более крупными двигателями, такими как те, которые используются в коммерческих транспортных средствах, стационарных или морских двигателях. 45 процентов — это новый рекорд для двигателей легковых автомобилей. Для сравнения: бензиновые двигатели обычно имеют КПД от 35 до 40 процентов. В проекте GasOn еще не рассматривается обработка выхлопных газов такого двигателя; по-прежнему необходимы дальнейшие исследования из-за процесса сжигания обедненной смеси.

В целом, было показано, что газовые двигатели обладают потенциалом для достижения эффективности, аналогичной (значительно более мощным) дизельным двигателям. Кроме того, они могут легко работать с любой смесью возобновляемого биогенного или синтетического метана и, таким образом, обеспечивать очень низкие выбросы CO ₂ . Участвующие производители автомобилей сейчас собираются выяснить, как результаты проекта GasOn могут быть перенесены на серийные автомобили.

---

Pinnacle Engines разрабатывает эффективный бензиновый двигатель с низким уровнем выбросов с использованием суперкомпьютеров

---

Предоставлено Швейцарские федеральные лаборатории материаловедения и технологий

Ссылка : Рекордный КПД для газового двигателя (20 июня 2019 г.) получено 8 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-06 -fficiency-gas.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Экологически чистые высокоэффективные системы двигателей: обзор Hitachi

Разработка технологий Соответствие глобальным экологическим нормам

Транспортные средства используются во всех регионах мира, и экологические нормы в каждом регионе разные.Следовательно, эффективный сбор информации, а также исследования и разработки необходимы для своевременного предоставления продукции и предложения технологий. Чтобы способствовать этому, Hitachi Automotive Systems создала технические центры на основных рынках Европы, США и Китая и проводит глобальные исследования, известные как «деятельность Global One Team (GOT)», которые включают зарубежные исследования и разработки (R&D). члены (см. рисунок 2).

Рисунок 2 — Структура зарубежных технических центров и зарубежных научно-исследовательских центров Деловые условия каждого объекта сообщаются, в том числе членам исследовательских лабораторий, для разработки технологий, близких к клиентам.

Деятельность

GOT определяется как совместная структура, которая способствует вкладу отечественных и зарубежных научно-исследовательских организаций и местных предприятий. Уточнены система и миссия для обмена информацией и развития технологий, которые ранее выполнялись индивидуально на каждом объекте. Мероприятия разработаны таким образом, что встречи по обмену информацией проводятся периодически, а разработка технологий ведется путем определения совместных тем развития и разделения работы между объектами.Деятельность GOT в области двигателей осуществляется в соответствии со следующими политиками.

1. Взаимный обмен информацией и развертывание технологий между подразделениями внутренних и зарубежных технических центров
2. Совместное использование условий ведения бизнеса на каждом предприятии (в том числе с членами исследовательской лаборатории)
3. Развитие технологий на каждом объекте (рядом с заказчиками)
4. Разделение вопросов каждой рабочей группы и управление рисками

В следующем разделе описаны примеры передовых технологий, разработанных с помощью GOT.

Системы двигателя для соответствия экологическим нормам

Высокоэффективные двигательные системы

Для сокращения выбросов CO ₂ (улучшение экономии топлива), как описано в начале этой статьи, национальный проект SIP в Японии является ведущим исследовательским центром по повышению теплового КПД двигателей. Максимальный тепловой КПД серийно выпускаемых в настоящее время автомобилей составляет примерно 40% ⁽¹⁾ . На уровне исследований SIP сообщил о других результатах исследований, которые достигли более 45% теплового КПД ^{(2), (3)} (см. Рисунок 3).

Hitachi Automotive Systems ведет разработки с целевым показателем теплового КПД бензиновых двигателей на уровне 50%. Более высокая степень сжатия, разбавленное сгорание и снижение потерь важны для повышения теплового КПД. Для этого Hitachi Automotive Systems разрабатывает технологии управления горением и системные продукты (см. Рисунок 4).

Рисунок 3 — Контрольные показатели теплового КПД двигателя Тепловой КПД серийно выпускаемых двигателей составляет примерно 40%, а технология была разработана на уровне НИОКР для достижения теплового КПД более 45%.Чтобы соответствовать более строгим нормам расхода топлива в будущем, проводятся НИОКР по разработке высокоэффективных систем двигателей, которые достигают 50% теплового КПД.

Рисунок 4 — Модельный ряд системных продуктов для достижения 50% теплового КПД двигателя Более высокая степень сжатия, разбавленное сгорание и меньшие потери важны для повышения термического КПД. Hitachi Automotive Systems разрабатывает технологии управления сгоранием и системные продукты, позволяющие добиться этого.

Детонация двигателя при высоких нагрузках на двигатель является проблемой при попытке повысить степень сжатия. Детонация ограничена за счет использования высокочувствительного механизма переменной степени сжатия (VCR) и электронного VTC, который быстро изменяет степень сжатия.

Что касается разреженного сжигания, была разработана технология снижения потерь насоса с использованием гомогенного обедненного сжигания. При гомогенном обедненном сгорании поток воздуха и струя топлива должны быть тщательно перемешаны, чтобы образовалась однородная топливовоздушная смесь в камере сгорания.Для этого была разработана топливная система DIG с давлением топлива 35 МПа, которая очень эффективна для распыления топлива распылением. Поскольку скорость сгорания при разбавленном сгорании снижается, движение воздушного потока усиливается, что способствует распространению пламени. Однако другая проблема заключается в том, что при сильном вращении воздуха искра зажигания может взорваться и погаснуть при движении. Чтобы решить эту проблему, Hitachi Automotive Systems Hanshin, Ltd. разработала новый тип высокоэнергетической катушки зажигания, которая увеличивает энергию зажигания до 120 мДж с предыдущего уровня в 60 мДж.Использование этой катушки зажигания обеспечивает стабильное горение даже в условиях разбавленного горения с сильным колебательным движением воздуха.

С точки зрения управления сгоранием, управление с датчиком давления в цилиндре (CPS) разрабатывается для обнаружения и управления колебаниями сгорания и решения проблемы уравновешивания стабильности сгорания и выбросов NO _X . Кроме того, в ожидании дальнейшего повышения производительности микропроцессоров, используемых в электронных блоках управления (ЭБУ), ведется дальнейшая разработка системы управления с применением моделей искусственного интеллекта (ИИ).

Что касается снижения потерь, разрабатывается технология для уменьшения трения поршня и потерь на охлаждение поршней. На поршневую систему приходится от 30% до 50% механических потерь в двигателе; поэтому уменьшение силы трения между юбкой поршня и отверстием цилиндра является критической проблемой. Поскольку известно, что потери на трение, возникающие на юбке поршня, составляют большую часть потерь в условиях жидкой смазки, был разработан новый метод покрытия ⁽⁴⁾ , который уменьшает шероховатость поверхности юбки.Это покрытие S-HYBRID является оригинальной технологией Hitachi Automotive Systems (см. Рисунок 5). Обычно на юбке есть неровности глубиной около 10 мкм, известные как «бороздки». Однако покрытие S-HYBRID имеет двухслойную структуру покрытия. Роль верхнего слоя заключается в быстром износе вначале для выравнивания поверхности юбки поршня. Это снижает трение поршня во всех рабочих условиях, с 14% снижением потерь на трение [среднее эффективное давление на трение (FMEP)], подтвержденное в условиях запуска двигателя.

Рисунок 5 — Поршень с покрытием S-HYBRID Имеет двухслойную структуру покрытия. Роль верхнего слоя заключается в быстром износе вначале для выравнивания поверхности юбки поршня.

Самый распространенный тип масляного насоса двигателя изменяет количество нагнетания в зависимости от вращения коленчатого вала. Однако гидравлическое давление, необходимое для вспомогательных устройств с гидравлическим приводом, сильно варьируется в зависимости от условий эксплуатации. По этой причине масляный насос переменной производительности с механизмом, независимо разработанным Hitachi Automotive Systems, снижает трение с помощью системы по запросу, которая контролирует гидравлическое давление, снижая его до необходимого уровня.

Кроме того, с целью создания технологии бережливого сжигания, превосходящей «Инновационную технологию сжигания» SIP, ведется прогрессивная разработка элементной технологии посредством совместных исследований с отечественными и зарубежными университетами и исследовательскими институтами.

Системы с низким уровнем выбросов (с низким числом твердых частиц)

Помимо ограничения выбросов CO ₂ , соблюдение норм выхлопных газов также является неотложной задачей. В частности, для DIG важны меры противодействия количеству твердых частиц / твердых частиц (PN / PM).В ответ Hitachi Automotive Systems разрабатывает топливную систему DIG, которая снижает содержание твердых частиц в выхлопных газах.

PN / PM образуется в виде твердых частиц, когда топливо, которое не испаряется, прилипает к камере сгорания и когда топливовоздушная смесь распределяется неравномерно. По этой причине Hitachi Automotive Systems использовала моделирование для анализа процесса, в котором распыляемое топливо, впрыскиваемое из форсунки, и воздух, поступающий из впускного отверстия, образуют воздушно-топливную смесь внутри камеры сгорания, и разрабатывает метод управления впрыском топлива. что создает однородную топливно-воздушную смесь с низкой адгезией топлива.Было обнаружено, что уменьшение количества топлива, прилипающего к наконечнику форсунки, очень эффективно для ограничения выбросов ТЧ ⁽⁵⁾ .

Используя технологию мониторинга наконечника форсунки и моделирования потока топлива внутри форсунки, компания разработала технологию, которая снижает PM на 90% по сравнению с традиционными системами (см. Рисунок 6).

Рисунок 6 — Технология анализа, поддерживающая системы с низким уровнем выбросов Технологии контроля кончика форсунки и моделирования потока топлива внутри форсунки были использованы для разработки технологии, снижающей количество твердых частиц.

.